Sähkömagneettinen pulssi

Sähkömagneettinen pulssi eli EMP (engl. electromagnetic pulse) on erittäin lyhytkestoinen ja korkeatehoinen sähkömagneettinen aalto, joka vaurioittaa elektroniikkaa ja sähkölaitteita. Myös elektromagneettisena pulssina tunnettu purkaus voi syntyä joko luonnollisesti tai ihmisen tekemänä. Koska sähkövirta on elektronien tai muiden varausten liikettä, syntyy Maan magneettikentän kanssa vuorovaikuttava sähkövirta, jolloin muodostuu voimakas sähkömagneettisen säteilyn pulssi.

Myös lähellä maanpintaa tapahtuvassa räjähdyksessä syntyy voimakas, paikallinen ja suhteellisen pitkäkestoinen sähkömagneettinen sykäys. Erityisen herkkiä EMP:lle ovat antennimaiset rakennelmat, kuten pitkät lanka-antennit, puhelinlinjat ja sähkölinjat. Tällaiset rakenteet myös johtavat EMP-pulssin niihin kiinnitettyihin laitteisiin tuhoisin seurauksin. Teoriassa sähkö- ja puhelinlinjoja pitkin johtuva pulssi voisi edetä mantereelta toiselle tuhoten kaikki sähkö- tai puhelinverkkoon kytketyt sähkölaitteet matkaltaan. Pieniin, eristettyihin järjestelmiin EMP ei vaikuta niin tehokkaasti.

Sähkömagneettisella pulssilla voi lamauttaa sähköön ja elektroniikkaan perustuvat yhteiskunnan toiminnot äkillisesti suurelta alueelta. Koska ydinaseen käyttökynnys on hyvin suuri, EMP:n synnyttämiseksi on pyritty kehittämään pieniä tavanomaisiin räjähteisiin pohjautuvia aseita, jotka tuottavat vastaavan ilmiön. Voimakkaan paikallisen EMP:n tuottavaa pommia, jolla voidaan katkaista sähköt tietyltä alueelta polttamalla voimalinjojen sulakkeita kutsutaan nimellä E-pommi (engl. E-Bomb).

Yleiset piirteet

Sähkömagneettinen pulssi on lyhyt purkaus sähkömagneettista energiaa. Sen lyhyt kesto tarkoittaa että pulssi leviää useilla eri taajuuksilla. EMP energia voi siirtyä neljällä eri tavalla, sähkö- ja magneettikentän kautta, sähkömagneettisena säteilynä tai johtumalla. EMP siirtyy aina useilla eri tavoilla.

Aaltomuodot

Pulssin aaltomuoto kuvaa, kuinka sen, sen hetkinen amplitudi (kenttävoima tai virta) muuttuu ajan suhteen. Todelliset pulssit ovat melko monimutkaisia, joten usein käytetään yksinkertaistettuja malleja. Tällainen malli esitetään tyypillisesti joko kaaviona tai matemaattisena yhtälöinä.

Useimmilla pulsseilla on erittäin terävä etureuna, joka kasvaa nopeasti enimmäistasolleen. Klassinen malli on kaksinkertainen eksponentiaalinen käyrä, joka kiipeää jyrkästi, saavuttaa nopeasti huippunsa ja hajoaa sitten hitaasti. Kuitenkin valvotun kytkentäpiirin pulssit ovat usein suorakaiteen tai "neliön" muotoisia pulsseja.

Pulssijunassa, kuten digitaalisesta kellopiiristä, aaltomuoto toistetaan säännöllisin väliajoin.

EMP-tapahtumat yleensä indusoivat vastaavan signaalin uhrin laitteissa, johtuen lähteen ja uhrin välisestä kytkentästä. Kytkentä tapahtuu tavallisimmin voimakkaasti suhteellisen kapealla taajuuskaistalla, mikä johtaa uhrin ominaisvahvistettuun siniaallosignaaliin. Visuaalisesti se näkyy korkeataajuisena siniaaltona, joka kasvaa ja hajoaa kaksinkertaisen eksponentiaalisen käyrän pidemmän ajan sisällä. Vaimennetulla siniaallolla on tyypillisesti paljon pienempi energia ja kapeampi taajuus ja se leviää kuin alkuperäisessä pulssissa kytkentämoodin siirto-ominaisuuden vuoksi. Käytännössä EMP-testauslaitteisto injektoi usein nämä vaimennetut siniaallot suoraan sen sijaan, että se yrittäisi luoda energiaa uhkaavan suuriin energiapulsseihin.

Vaikutukset

Pienet EMP tapahtumat aiheuttavat haittoja sähkömagneettisille laitteille. Korkeajännitteiset EMP:t voivat aiheuttaa kipinöitä. Suuret ja energiapitoiset EMP:t voivat aiheuttaa suurta vahinkoa sähkölaitteille. Todella suuret EMP-tapahtumat, esimerkiksi salamat, voivat aiheuttaa suoraa haittaa ympäristölle esimerkiksi lämmönsiirron tai muuttuvan magneettikentän takia. Suurien haittavaikutuksien takia EMP on käytetty erilaisten aseiden tekemiseen, joiden tarkoituksena on lamaannuttaa suuria alueita pulssilla.

EMP-tyypit

NEMP

Ydinräjähdys vaikuttaa 20–40 kilometrin korkeudessa sijaitseviin ilmakehän atomeihin sähköistäen ne. NEMP tapahtuu kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa ydinräjähdyksen säteily tuottaa atomeista irronneita ns. Comptonin elektroneja noin mikrosekunnin ajan. Seuraavassa vaiheessa räjähdyksen neutronisäteilyn synnyttämä siroava gammasäteily tuottaa pulssin jonka kesto on mikrosekunnista sekuntiin. Räjähdyksen korkeaenergiaiset jäänteet kohoavat ionosfäärin E-kerrokseen aiheuttaen siellä kuumenemista ja ionisaatioita, mikä synnyttää sähkövirtoja, jotka vuorovaikuttavat maan magneettikentän kanssa. Viimeinen vaihe tunnetaan nimellä magnetohydrodynaaminen EMP (MHD-EMP), sillä sen vaikutukset muistuttavat auringon synnyttämiä magneettisia häiriöitä. MHD-EMP voi kestää useiden minuuttien ajan.

Sähkömagneettisen pulssin tehosta pääosa (~88 %) on alle 10 MHz:n eli radioalueella. Pulssin sähkökentän voimakkuus on suuruusluokkaa 50 kilovolttia per metri. Pulssi ulottuu korkearäjähdyksen pisteestä horisonttiin. Pulssin nousuaika on noin viisi nanosekuntia ja kesto 20–600 nanosekuntia lähteestä riippuen.

SREMP (engl. Source Region EMP) vaikuttaa 38 kilometrin alueella, eli yhden megatonnin räjähdyksessä kahden PSI:n painealueella. SREMP:in syntyminen johtuu Maan ilmakehän ja maan erilaisesta ionisoitumisesta. Lähdealueelle syntyy hyvin voimakas pulssi, jonka sähkö- ja magneettikentän voimakkuudet ovat jopa 10⁵ V/m ja 4 000 A/m. Pulssi kestää pitkään, noin 0,1 sekuntia.

NEMP tuhoaa suojaamattoman herkän elektroniikan koko kohdealueella. Erityisen herkkiä ovat mikropiirit, esimerkiksi tietokoneiden prosessorit. Uudet laitteet ovat pienemmästä viivanleveydestä johtuen vanhoja herkempiä. Vanha putkitekniikka sietää pulsseja paremmin, koska kohdelaitteeseen siirtyvä energia on pieni. Käytännössä NEMP on maanosa-ase. Sadan kilometrin korkeudessa horisontti on räjähdyspisteestä noin tuhannen kilometrin päässä.

Pulssi voisi aiheuttaa suuren radioaktiivisen laskeuman tuhoamalla kohdealueella olevien ydinvoimaloiden jäähdytyslaitteet.

Salama

Salama on lyhytkestoinen EMP, jonka sähköpurkaus tasoittaa pilvien potentiaalieroja.

Sähköstaattinen purkaus (ESD)

Pääartikkeli: Sähköstaattinen purkaus

Sähköstaattinen purkaus eli staattisen sähkön purkaus on suurten varauserojen aiheuttama sähkön purkaus. Yleisin staattisen varauksen muodostumistapa on materiaalien hankaus. Staattisia varauksia syntyy myös ionisoitumisesta ja varausten johtumisesta. Staattinen varaus voi nousta jopa useisiin kilovoltteihin. Staattisen sähkön purkautumisajat ovat yleensä nanosekuntien luokkaa, mikä aiheuttaa purkauksessa jopa satojen ampeerien suuruisen virran. Purkauksen hetkellisestä voimakkuudesta johtuen ESD on vaarallinen purkautumispiirin sähkölaitteille, etenkin puolijohteille.

Kytkentäpulssit

Sähköpiirin katkaisu tai avaaminen aiheuttaa voimakkaan muutoksen sähkön virtauksessa. Yksinkertaisia sähkölähteitä ovat induktiiviset kuormat, kuten releet, solenoidit ja sähkökoneiden harjat. Tyypillisesti nämä lähettävät pulssin kaikkiin kytkettyihin sähköisiin piireihin sekä säteilevän energiapulssin. Tämän "kohinan" tai "häiriön" amplitudi on yleensä pieni. Piirin katkaisu tai avaaminen aiheuttaa äkillisen muutoksen virrassa. Tämä voi puolestaan aiheuttaa suuren pulssin sähkökentässä avoimien koskettimien läpi aiheuttaen piirin komponenttien vahingoittumisen. Kytkentäpulssien EMP-häiriöt ovat yleisiä hakkuriteholähteissä.

Suojautuminen

EMP:ia vastaan suojaudutaan Faradayn häkillä ja erityissuodattimilla niiden johtimien osalta, jotka kulkevat suojan seinän läpi.

Kaapeleita pitkin johtuvalta pulssilta voidaan suojautua myös käyttämällä kuparikaapelin sijaan valokuitua.

Eristetyillä systeemeillä, jotka eivät ole kiinni verkossa, on paremmat todennäköisyydet selvitä sähkömagneettiselta pulssilta. Tämä pätee erityisesti silloin, jos sähkölaite on kaukana suurista metalliesineistä ja kaapeleista. Syynä tähän on, että sähkömagneettinen pulssi etenee helposti kaapeleita pitkin ja vaurioittaa laitteita, jotka ovat kytkettynä verkkoon. Toisaalta jos sähkömagneettinen pulssi on teholtaan riittävän suuri, myös eristetyt systeemit ovat vaarassa.^[1] Verkossa kiinni olevien sähkölaitteiden suojausta voidaan parantaa käyttämällä mahdollisimman lyhyitä kaapeleita. Kaapelit voivat toimia antennina ja siksi niiden on siis parempi olla pituudeltaan lyhyitä. UPS (Uninterruptible Power Supply) eli keskeytymätön virransyöttö on laite jonka avulla voidaan myös parantaa suojautumista EMP:tä vastaan. Ylijännitesuoja toimii myös suojana äkillisiä jännitteen muutoksia vastaan, mikä onkin jo yleinen suojauskeino salaman iskuja vastaan ja voi auttaa myös EMP:tä vastaan. ^[2]

Testisimulointi

EMP:n vaikutusta laitteisiin tai järjestelmiin voidaan testata simuloimalla. EMP:n vaikutusta pienempiin laitteisiin voidaan testata kädessä pidettävällä ESD-simulaattorilla. Simulaattori voi myös olla huoneen kokoinen, jolloin voidaan testata EMP:n vaikutuksia suurempiin laitteisiin tai järjestelmiin. Suurimmat simulaattorit ovat suuria laitoksia, jotka sisällyttävät suuritehoisia sähkömagneettisia pulsseja tuottavia laitteita. Nämä laitokset voivat testata EMP:n vaikutusta esim. laivoihin tai lentokoneisiin. Melkein kaikki tällaiset simulaattorit käyttävät Marxin generaattoria luomaan sähkömagneettisia pulsseja.^[3]^[4] Esimerkkejä EMP simulointi laitoksista ovat mm. Sandia National Labsin ATLAS-I simulaattori, tai Yhdysvaltain laivaston EMPRESS I simulaattori laivoille.

Katso myös

HPM

Lähteet

J Kosola & T Solante: "Digitaalinen taistelukenttä - Informaatioajan sotakoneen tekniikka" Maanpuolustuskorkeakoulu, Tekniikan laitos Julkaisusarja 1, n:o 13, Edita Prima 2003, toinen painos, s. 429–430